天然气输气场站UPS配置的改进

姚 刚 宋建法

（陕西省天然气股份有限公司 西安）

一、使用现状

公司现通用于各天然气输气场站UPS配置的一般模式为：一台大功率三相UPS后串机联接一台单相通信UPS和一台单相自控UPS的串联冗余供电系统，这种电源的设置模式如图1所示。这种主机--从机串联冗余配置，有不合理之处。

图1 现UPS供电系统的配置示意图

（1）负载严重不平衡，主控UPS输入电源为三相交流电源，而其所带“负载”主要为一台小容量的自控UPS（大多为2 kV·A）和一台更小容量的单相通信UPS（大多为 1 kV·A），这样就造成大功率三相主控UPS的输出一相悬空（只在电动执行机构运转时为三相输出），长期这样使用会影响UPS的使用质量和寿命。也有个别天然气输气场站在主控UPS后还带载部分电动执行机构。由于UPS的逆变器向负载输出的为方波电源而不是正弦波电源，所以合理的带载应该是电阻性负载或开关性电源负载，而不适合带电感性储磁负载（电机类），因为如果有电感性负载的出现，会导致在出现方波电源脉冲波形的上升沿或下降沿的尖峰电压干扰，使峰值电压急剧增大而有可能引发设备损坏，所以，电感性负载电动执行机构严格的说来不能加载在UPS的输出端，而通信UPS前端的稳压电源也是铁芯电感线圈结构的稳压器，同样不适合于带载在主控UPS的输出端。

以西安分公司为例，各站主控UPS的配置情况：（主控UPS容量为15～30 kV·A不等，原配临潼、渭南输气站为15 kV·A；铜川、西安输气站为30 kV·A，其中铜川，西安输气站为同型号同厂家的2台30 kV·A进口ABB型主控UPS分别于2003年在远远不到使用寿命的情况下损坏，而后西安输气站又于2006年4月重新配置台达牌30 kV·A主控UPS，使用至2009年7月又损坏，接二连三地未到使用寿命周期而过早损坏，足以说明这种配置的不合理性，从西安站主控UPS的更换周期和损坏情况看，这种配置的损坏率是比较高的，也能说明不均衡带载和引入电感性负载对UPS寿命的影响。

（2）容量配置很不合理，高额费用购置的大功率UPS几乎闲置。用一台大容量的UPS（15～30 kV·A），带载2台加起来总容量不到10 kV·A的小UPS，其所带负载大部分仅为一台1 kV·A的单相通信UPS 和一台 2 kV·A，3 kV·A，7 kV·A不等的单相自控UPS，负荷率不到10%是极大的资源浪费。

（3）可靠性较低，这种串联冗余设计在实际生产使用中很不科学合理，不便于维修和应急使用，从图1很容易看出，自控UPS的输出是DC机柜的唯一供电途径，如有意外故障造成供电中断，PLC及所有仪表都会瞬间失电，可以导致整个DC柜失电而黑屏，而前端的主控UPS又无法跨过自控UPS来直接给DC柜供电，缺乏保护措施，这对工艺及贸易就会产生很大的影响。还有，在生产中需要维修、维护时，输气系统在运行，供电中断就会导致无法计量和自控系统因失去信号而触发部分执行机构误动作情况。所以，遇到这种情况，即使维修、维护时间很短，也要汇报调度，协调下游停气，然后机柜下电处理，非常不方便。

（4）这种串联冗余设计不利于电瓶正常工作，由于长期处于空载运行状态中的从机（通新、自控）的蓄电池一直处于“浮充”充电状态，几乎没有深度放电的机会，市电停电时，首先主控UPS切入电池逆变供电状态，自控，通信UPS的电池依然在只充不放的状态，常造成从机蓄电池寿命明显缩短或容量大大低于标称值，即使操作规程中有定期放电，但是自控供电关系重大，一般不会达到深度放电的要求，（深度放电有电池耗尽，输出瞬间断电的因素），所以从机自控UPS几乎一直处在"浮充浅放"的状态维持，这样使用寿命减少已是不争的事实，如西安站自控UPS的电池，与主控UPS电池是同一期安装的，在主控电池完好的情况下，自控UPS蓄电池已然耗干殆尽。

二、改造后的模式及优越性能和预期效果

如果改进为“1+1”型UPS并联联机冗余供电设置，如图2所示，改造后，取消大功率主控UPS,而采用2台相同的自控UPS的并联联机对DC柜供电来取代原供电结构中的一大带两小的串联配置，同时将通信UPS前端的稳压电源输入直接从配电柜引入，虽然通信UPS减少了一次串机联接，但丝毫不影响其使用效果。电动执行机构的电源也直接从配电柜引入，无需从UPS后端引入，避免了UPS带载电机类感性负载，使UPS的配载更加合理规范，对自控系统的可靠性和安全系数大大提高，也更加方便维护。

在实际使用中，串联联机冗余系统的主控UPS的作用非常微弱，改造后用2台相同的自控UPS的并联联机对DC柜供电来取代原供电结构中的一大带两小的串联配置，对自控系统带来很大的方便，在运行中，如果一台自控UPS出现故障的情况下，另一台仍的逆变仍然保持稳定的输出而不会跳变到旁路（市电直供）上或中断输出，大大提高了对DC机柜供电的可靠性。同时也有效的避免了维修切换中的断点问题。不论从成本还是可靠性而言，都比大拖小的串联结构合理。采用这种“1+1”型UPS并联联机冗余系统设置的结构优点如下。

（1）锁相同步调节，为了确保UPS电源能安全可靠的进行市电--逆变器间的正确切换操作，并机中的逻辑控制电路对2台(或多台）并机UPS间的相位差进行微调，使之趋向于零（目前已可实现2台UPS间的相位差控制在0.2°甚至更小）从应用角度看，并机间的环流几乎为零。

图2 改造后UPS并联冗余设置示意图

（2）均流调节，并机逻辑控制电路可以实现2台UPS均担负载，通过动态微调2台UPS的输出电压，使2台机器的均流不平衡度控制在很小范围内（一般在1.5%～5%，当均流不平衡度超过8%的时候，只能作为控制水平较低的被动式并联联机结构使用，即可当作双机一备一用模式）根据目前的UPS生产水平，很容易达到5%以下。

（3）选择性脱机“跳闸”功能，在一台UPS出现故障的情况下，并机逻辑控制电路会自动关闭出故障的UPS的逆变器，使发生故障的UPS脱离系统运行，同时也阻断导通该台UPS的旁路开关，并发出报警。而另一台UPS则继续向负载供电，这时供电UPS输出端的阶跃电流时从50%的负载电流增长到100%的负载电流，对UPS的逆变器冲击较小。而主从系统中，从机的阶跃电流将是从0增长到100%的负载电流，对逆变器冲击比较强。

（4）扩容功能，用2台相同功率的UPS并机系统，必要时将UPS的输出功率扩大一倍，例如，用2台7 kV·A的“1+1”并机系统，输出功率可以扩容到14 kV·A，这样的冗余供电系统有很好的灵活性。

综上所述，可以选择相同额定功率的同型号UPS来构成具有容错功能的双机并接UPS供电系统，构成“1+1”并机冗余配置供电系统。既提高供电系统的可靠性，又可以节省设置大功率主控UPS的大量费用，也方便在维修中双机切换供电而不必临时下电及相关的工艺操作。比串联冗余设计，是非常经济和可靠的UPS供电配置系统，应加以推广和采用。